JPH04250664A - 光センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、透光性のガラス板に形
成した光学フィルタと薄膜受光素子とを積層した光セン
サの、特性を改善する構成と、その製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来は、比較的大型の光学フィルタを用
いる光センサのなかでも、カラーイメージを検出するこ
とができるカラーフィルタをもつ光センサを、透光性ガ
ラス板と薄膜技術で作製するときは、図５に示したよう
に所定の光波長特性の光フィルタを配置した光フィルタ
膜２２が形成された厚さ数百μｍの透光性ガラス板２１
と、該カラーフィルタ２２に対応させてアモルファスシ
リコン（ａ−Ｓｉ）薄膜フォトダイオード２５を形成し
た厚さ数百μｍのガラス板２４を、透明な接着剤２３で
接着していた。

【０００３】以上のようなガラス板の厚さは、カラーフ
ィルタや薄膜受光素子の作製と、その接着の工程におけ
る機械的な強度を保つのに必要であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、以上のように
数百μｍの厚さのガラス板になると、特に短焦点レンズ
を用いたときに、入射した光Ｌは、図５に示したような
クロストークの原因となった。

【０００５】すなわち、図５のガラス板２１に一定の入
射角をもって入射した光は、その界面で屈折し、フィル
タ２２ｂを通過し、薄膜受光素子２５ａに達する。

【０００６】以上は、本来フィルタ２２ｂを通った光は
、対応した素子２５ｂに達する設計であるが、入射角が
大きくなると設計外の素子２５に達してクロストークが
発生する。

【０００７】以上のようなクロストークの検出誤差を小
さくするのに従来は、図７に示したように、光の入射角
を制限する遮光性ケース３２のなかに光センサ３４を収
め、一定の空間３３をおいて透明板３１を設けたり、図
８に示したようにカラーフィルタ４２を設けたガラス板
４１と受光素子４５を設けたガラス板４４を接着剤４３
で結合した光センサの素子４５間の分離スペース４６を
拡げる方法が用いられたが、いずれも光センサを厚い形
状にしたり、感度の低下、又は、コストアップになると
いう問題があった。

【０００８】本発明は、以上で説明した従来の光センサ
がもつ問題を解消した構成の光センサと、その製造方法
を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記で説明した、従来の
ガラス板を接着した構成の光センサの問題を解消する本
発明の光センサは、基板にした透明なガラス板にカラー
フィルタを形成し、次に、薄いガラス板を接着し、接着
した薄いガラス板の表面に受光素子を作製した構成にす
るものである。

【００１０】以上のような本発明の作製方法を用いるこ
とにより、カラーフィルタと受光素子の間の透明ガラス
を薄くしても、光センサ製造工程においての必要強度を
保つことができる。

【００１１】即ち、カラーフィルタと受光素子を作製す
るガラス板を、それぞれ別に処理するときは、２枚のガ
ラス板とも数百μｍ以上の厚みが必要になるが、基板の
ガラス板にカラーフィルタを形成し、その上にガラス板
を接着した後、薄膜半導体の受光素子を形成した構成に
すれば、接着するガラス板は機械的強度が小さくてもよ
く薄くできるので、カラーフィルタと受光素子の間を短
くできる。

【００１２】従って、入射角の大きい光によるクロスト
ークを減少させることができる。

【００１３】

【作用】以上で説明した作製方法によって作製した構成
における光センサにおいて、接着する薄いガラス板の厚
さを、通常の工程で作製した個々の受光素子の一辺の２
０分の１にしておくことで光の入射角の大きさによるク
ロストークは、実用上問題のない範囲にすることができ
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１５】図１に、本発明の基本的実施例の一部を拡
大した断面図を示した。

【００１６】図１に於いて、基板になる厚さ０．７ｍｍ
のガラス板１１は、可視光全域にわたって透明なガラス
で形成されている。

【００１７】ガラス板１１には、スクリーン印刷により
エポキシ系樹脂の青、赤及び緑色からなるカラーフィル
タ１２が形成される。なお、このカラーフィルタ１２の
材料はエポキシ樹脂系に限定されず、ポリイミド，アク
リル等の樹脂材料でもよく、更に透明で屈折率の異なる
層を積層した無機材料などの干渉光フィルタを用いても
よい。

【００１８】更に、カラーフィルタ１２の作製方法も、
スクリーン印刷法のみでなく、フォトエッチ法、電蒸法
、染色法、蒸着法等を用いることができる。

【００１９】続いて、以上でカラーフィルタ１２を形成
したガラス板１１の表面に、厚さが７０μｍの薄くて透
明なガラス板１４を、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等の
透明樹脂の接着剤１３により接着している。

【００２０】更に続いて、接着したガラス板１４の表面
にグロー放電（ＧＤ）法で、アモルファスシリコン（ａ
−Ｓｉ）フォトダイオード１５の受光素子が形成されて
いる。

【００２１】以上で説明した受光素子は、ａ−Ｓｉフォ
トダイオードに限定されずＳｅ，ＣｄＳ等からなる光導
電型の素子にしてもよい。

【００２２】なお、上記のａ−Ｓｉフォトダイオードの
作製は、まず、薄いガラス板１４の表面にスパッタ法、
蒸着法又はスプレー法等によりＩＴＯ，ＳｎＯ２又はＺ
ｎＯ等からなる透明導電材料をスパッタ法、蒸着法、ス
プレー法等で成膜することで、透明電極を形成した。

【００２３】続いて、前記ＧＤ法、又は、プラズマＣＶ
Ｄ法、光ＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法等により、ａ−Ｓｉのｐ
層、ｉ層、及びｎ層を順次積層し、ａ−Ｓｉのｐ−ｉ−
ｎ構成のフォトダイオード１５を形成している。

【００２４】以上のａ−Ｓｉフォトダイオード１５には
、裏面電極になるＡｌ，Ｎｉ，Ａｇ，Ｍｏ等の金属膜の
電極を蒸着、スパッタ、メッキ又はペーストの塗布、焼
結等により形成している。

【００２５】最後に、光センサの環境による劣化防止の
ためフォトダイオード１５を形成した面を、防湿樹脂１
６によるコーティングを行った。このコーティングは、
通気性のないセラミックなどのパッケージを用いてもよ
い。

【００２６】次に、以上で構造とその製造方法とを説明
した光センサにおいて、光信号のクロストークがどの程
度低減されるかを示す。

【００２７】光センサの一部を拡大した断面図の、図６
に於いて、光センサに入射する光は、外部の空気と光セ
ンサの表面のガラスとの界面で屈折するが、この屈折は
スネルの法則に従うので、入射角をθ０，屈折角をθ１
とし、空気とガラスの屈折率をそれぞれｎ０，ｎ１とす
ると、その関係は次の数式（１）で表される。

【００２８】 　　　　ｎ０ｓｉｎθ０＝ｎ１ｓｉｎθ１　　　　　　
　　　　　　　　　　　　…（１）ここで、通常のガラ
スの屈折率が１．４５〜１．５５であり、エポキシ樹脂
５３の屈折率も１．４５〜１．５５のものが多い。

【００２９】以上と、エポキシ樹脂のカラーフィルタの
厚みが極めて薄いことから光センサ内の屈折率はｎ１と
しても誤差はないので、以下ｎ１一定として計算する。

【００３０】次に、カラーフィルタ５２と、受光素子５
５との間のガラス板５４の厚さをｄとし、表面ガラス板
５１とガラス板５４の間の接着剤の樹脂５３の厚さをｄ
′とすると、入射角θ０で入射した光Ｌが、カラーフィ
ルタ５２から受光素子５５に達するときガラス板５４の
平行方向にずれるが、その距離をｒとするとつぎの数式
（２）で示される。

【００３１】 　　　　ｒ＝（ｄ＋ｄ′）ｔａｎθ１　　　　　　　　
　　　　　　　　　　…（２）ここでθ１は数式１に用
いたものである。

【００３２】数式（２）に於いて、カラーフィルタ５２
の厚さは２〜３μｍで、接着剤５３の厚さもほぼ同じ厚
さであるから、ガラス板５４の厚さｄを７０μｍとすれ
ば、ｄとｄ′の和はほぼｄに等しいとして概算できる。

【００３３】従ってｒが最大になるのは、θ０が９０°
に近ずいたときのｒ′であり、ここではθ０を９０°に
限りなく近ずけた極限として求める。また、空気の屈折
率は１とすると、ｒ′は次の数式（３）で表わされる。

【００３４】 　　　　ｒ′＝ｄｔａｎθ１′　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　…（３）ここでｓｉｎθ′
＝１／ｎ１ 本実施例のガラスの屈折率を１．５３とすると、ｔａｎ
θ１′が０．８６になるからｒ′は７０μｍに０．８６
を掛けた約６０μｍになる。

【００３５】以上の計算から、本発明で用いる受光素子
の一辺の長さを２〜３ｍｍとし、接着する薄いガラス板
の厚さをその２０分の１以下になる１００μｍより薄く
しておけば、光の入射角に起因する光のクロストーク誤
差は３〜５％以下になることが分る。

【００３６】以上の計算値を実際に作製される光センサ
と対照させると、本実施例の大きさの光センサでは、カ
ラーフィルタの印刷・半導体薄膜のパターニングの精度
から受光素子の間には７０〜８０μｍ程度の間隙が設け
られるので、薄いガラス板の厚さを１００μｍ以下にし
ておけば光センサにおけるクロストークによる誤差は無
視できる程度になる。

【００３７】次に、以上で説明した青，赤及び緑７のフ
ィルタを配置したカラーフィルタと、その各フィルタに
対応させた受光素子を設けた光センサの前面の全入射角
から均等な光を照射したとき各色フィルタに対応する受
光素子に照射される光の分光反応の特性と、その間の薄
いガラス板の厚さの関係を示したのが図４と図９である
。　　図４は、本発明による薄いガラス板の厚さを７０
μｍにしたときの分光反応特性であり、カラーフィルタ
の特性から光のクロストークは殆ど問題のないレベルで
あることが分る。

【００３８】図４に比較して図９に示したのは薄いガラ
スの厚さを約１ｍｍにしているが、この光センサでは各
色フィルタに対応した受光素子の分光反応特性のすそが
、広く全波長領域に拡っていて、無視できない光のクロ
ストークが生じていることがわかる。

【００３９】図２に、光信号の増幅デバイス８６と、光
センサの受光素子とを同一ガラス板上に形成した構成の
断面図を示した。

【００４０】図２は、表面のガラス板８１と薄いガラス
板８４の間にカラーフィルタと接着剤の層８３が形成さ
れ、ガラス板８４の裏面にカラーフィルタと対応させて
受光素子８５が設けられ、該受光素子８５に隣接して、
同一ガラス板８４上に増幅デバイス８６が形成されてい
る。

【００４１】以上の構成において、受光素子８５には信
号になる光Ｌを入射させる必要があり、増幅デバイス８
６への外部光入射は、光によるキャリア発生がノイズの
原因になるので、増幅デバイス８６を設けた部分のガラ
ス板８１，８４の間に遮光膜８２を作製している。

【００４２】以上の実施例の光センサは、本発明による
ガラス板を薄くすることで光のクロストークを低減し、
かつ、受光素子８５に隣接して増幅デバイス８６が設け
られているので、クロストークとノイズの少ない信号を
得ることができる。

【００４３】次の図３に示したのは、図２の構成の一例
を詳細化して示した断面図である。図３では、受光側の
ガラス板９１の受光素子Ｓに対応する部分にカラーフィ
ルタを形成し、増幅デバイスＴに対応させ黒色エポキシ
樹脂の遮光膜９２が形成され、透明な接着剤で薄いガラ
ス板９４が接着されている。

【００４４】接着されたガラス板９４の一面には、受光
素子Ｓが、ｐ−ｉ−ｎ構造のａ−Ｓｉフォトダイオード
で形成され、増幅デバイスＴはａ−ＳｉＴＦＴで作製さ
れている。

【００４５】以上の受光素子Ｓと増幅デバイスＴの詳細
な構成は、次のようになっている。先ず、フォトダイオ
ードの受光素子Ｓは、ガラス板９４に透明電極９５を形
成後、プラズマＣＶＤにより、ａ−Ｓｉのｐ層９６、ｉ
層９７、ｎ層を順次積層して形成し、その上に蒸着によ
るＡｌの金属電極が作製されている。

【００４６】増幅デバイスＴは、プラズマＣＶＤで形成
したｉ層１００の上に、同じプラズマＣＶＤによりドレ
イン１０１と、ソース１０２を形成し、続いて、同じＣ
ＶＤによるＳｉＯ又はＳｉＮ等の絶縁膜１０３を形成し
ている。

【００４７】次に、フォトダイオードの金属電極９９に
接続したゲート電極９９を作製して、増幅デバイスＴに
なるＴＦＴを形成している。

【００４８】受光素子Ｓの透明電極は、増幅デバイスＴ
のソース１０２と電気的に接続されている。

【００４９】以上のような電気的接続により、受光素子
Ｓのフォトダイオードで発生した入射光に対応する電圧
は金属電極９９を通してＴＦＴのゲートに印加され、Ｔ
ＦＴで増幅されて、図示しないドレイン電極から出力さ
れる。この構成では微弱なフォトダイオードの出力は、
隣接したＴＦＴに入力され増幅されるので、ノイズを低
減させ良好な光センサ動作をさせることになる。

【００５０】続いて、増幅デバイスＴの受光部側に設け
られた遮光膜９２について説明する。この遮光膜は、図
２における膜８２と同じ作用をするもので、外部からｉ
型のａ−Ｓｉ層１００に入射した光で光電流が形成され
ると、この電流はノイズ成分になる。従って、本発明の
実施例で設けた遮光膜９２により、外部からの光入射を
防ぎ、ノイズ電流を低減させて光センサ全体のＳ／Ｎ比
を向上させ、感度を改善するものである。

【００５１】以上は、本発明の光センサを、実施例によ
って説明したが、本発明は実施例によって限定されるも
のでなく、例えば受光素子Ｓも、実施例のａ−Ｓｉフォ
トダイオードのみに限定されず、ａ−Ｓｉの光導電型受
光素子でもよく、更には、ＣｄＳやＣｄＳｅ等の化合物
半導体を用いた受光素子にしてもよい。使用する増幅デ
バイスも多結晶ＳｉによるＴＦＴ、又は、バイポーラト
ランジスタ等異なる構成の増幅素子を用いても良い。

【００５２】以上の他に、遮光膜もエポキシ樹脂などの
樹脂以外の、セラミックや金属からなるものを用いるな
ど光センサの使用目的・作製条件等に応じて選択するこ
とができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明による、カラーフィルタを形成し
たガラス板と、該カラーフィルタに対応させた受光素子
を形成したガラス板を接着剤で接着した光センサにおい
て、カラーフィルタと受光素子の間のガラス板を薄くし
てクロストークを低減させた光センサは、従来の光セン
サとほぼ同じ工程で作製でき、しかも、出力信号のＳ／
Ｎ比を改善できるので、多くの分野でのカラー光センサ
に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光センサの構造を示す断面図である。

【図２】受光素子と増幅デバイスからなる光センサの断
面図である。

【図３】フォトダイオードとＴＦＴからなる光センサの
断面図である。

【図４】本発明のカラー光センサの効果を示す分光反応
特性図である。

【図５】従来例の光センサの構造を示す断面図である。

【図６】光センサの入射光の経路の説明図である。

【図７】従来例の遮光性ケースをもつ光センサの断面図
である。

【図８】従来例の受光素子間を広くした光センサの断面
図である。

【図９】従来例の光センサの分光反応特性図である。

【符号の説明】

１１　　表面ガラス板 １２　　カラーフィルタ １３　　透明接着剤 １４　　薄いガラス板 １５　　ａ−Ｓｉフォトダイオード １６　　コーティング樹脂 ８２　　遮光膜 ８５　　受光素子 ８６　　増幅デバイス

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　可視光の全域に透光性をもつガラス板
   の一面に所定の光学フィルタ、又は、該光学フィルタと
   遮光膜が設けられ、該ガラス基板面上に接着された前記
   ガラス板と同じ光学的特性の薄いガラス板表面に、前記
   光学フィルタに対応した薄膜受光素子が設けられている
   ことを特徴とする光センサ。
2. 【請求項２】　　前記薄いガラス板の厚さが、受光素子
   の一辺の２０分の１以下であることを特徴とする請求項
   １記載の光センサ。
3. 【請求項３】　　前記ガラス板に設けた光学的フィルタ
   が赤色、青色、及び緑色光のそれぞれを透過するフィル
   タを所定の形状で分布させたカラーフィルタであり、前
   記薄膜受光素子が前記カラーフィルタに対応させて形成
   されたアモルファスシリコン薄膜受光素子であることを
   特徴とする請求項１記載の光センサ。
4. 【請求項４】　　カラーフィルタを設けた光センサの製
   造において、可視光の全域に透光性をもつガラス板の表
   面にカラーフィルタを作製する工程と、該ガラス板の表
   面に前記ガラス板と同じ光学的特性の薄いガラス板を接
   着する工程と、該接着した薄いガラス板の表面に所定の
   薄膜受光素子を作製する工程からなることを特徴とする
   光センサの製造方法。